柔性復(fù)合油管注水管柱的設(shè)計與試驗

申曉莉 胡美艷 于九政 羅必林 畢福偉

（1.長慶油田公司油氣工藝研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西西安 710018）

柔性復(fù)合油管注水管柱的設(shè)計與試驗

申曉莉1，2胡美艷1，2于九政1，2羅必林1，2畢福偉1，2

（1.長慶油田公司油氣工藝研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西西安 710018）

油田采出水中含有大量的硫酸鹽還原菌、腐生菌、鐵細菌等，其腐蝕性強，引起采出水回注井井筒注水管柱嚴重腐蝕，在滿足現(xiàn)有注水管柱工作參數(shù)條件下，通過改變注水管柱材質(zhì)、結(jié)構(gòu)的方法，設(shè)計出一種抗腐蝕性能強的柔性復(fù)合油管。進行了油管強度校核、室內(nèi)性能評價實驗、注水管柱組合設(shè)計和現(xiàn)場試驗研究。試驗表明：柔性復(fù)合油管在現(xiàn)有注水工作參數(shù)條件下，使用壽命可達15 a以上，達到了鋼質(zhì)油管壽命的3倍以上，為油田注水井井筒防腐提供了一種新方法。

柔性復(fù)合油管；注水管柱；抗腐蝕；油管強度；試驗

目前國內(nèi)大多數(shù)油田處于注水開發(fā)階段，油田注水依然是補充地層能量、提高采收率的重要手段。采出水主要對注水管柱產(chǎn)生化學腐蝕、細菌腐蝕，且腐蝕性隨著礦化度的增加而增強，具體表現(xiàn)為管柱腐蝕穿孔、結(jié)垢。目前對注水管柱的防腐主要是通過對鋼質(zhì)油管噴涂防腐涂層。注水管柱可靠性分析及壽命評估表明，采出水注水管柱的使用壽命只有3年［1-2］。頻繁更換注水管柱不僅造成油管費用增大，同時也增加了現(xiàn)場作業(yè)費用，不利于油田低成本、高效益開發(fā)，需要通過對注水管柱材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等方面進行研究，提高注水管柱在采出水回注井上的適應(yīng)性。

1 柔性復(fù)合油管

1.1 結(jié)構(gòu)

在滿足油田注水管柱強度要求條件下，利用非金屬復(fù)合材料抗腐蝕性能良好的特點，設(shè)計柔性復(fù)合油管，提高注水管柱的防腐蝕性能，延長注水管柱使用壽命。

設(shè)計參數(shù)如下：工作壓力≤16 MPa；溫度≤90 ℃；井斜≤35°；注水量≤50 m3/d；洗井排量≥30 m3/h；油層套管內(nèi)徑124.26 mm；使用壽命≥15 a。

根據(jù)設(shè)計參數(shù)要求，設(shè)計出內(nèi)徑為40.5 mm、外徑為76.3 mm、壁厚為17.9 mm的柔性復(fù)合油管結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 柔性復(fù)合油管結(jié)構(gòu)示意圖

該油管由內(nèi)層、增強抗壓層、抗拉層和外防護層組成，各層材料、加工工藝及功能見表1。由于受現(xiàn)場運輸條件的限制，一般單根柔性復(fù)合油管長度不超過2 000 m。

表1 柔性復(fù)合油管結(jié)構(gòu)、選材、加工工藝、功能

1.2 性能評價

注水管柱在注水過程中需要承受注入液體的壓力、油管自重及管壁與液體的摩擦力［3］，結(jié)合設(shè)計工藝，其抗壓公式為［4］

式中，N為增強層上纖維絲的總根數(shù)；K為纖維絲的單根強度，kg/根；D為增強層平均直徑，cm；ε為纖維絲斷裂伸長率；C為纏繞層數(shù)影響纏繞不均性的修正系數(shù)（1層C=0.9、2層C=0.8、3層C=0.75、4層C= 0.7）；n為不同壓力計算系數(shù)（壓力＜12 MPa時，n=0.735；壓力 ＞16 MPa時，n=1.103）。

抗拉公式為［4］

式中，σ為纖維帶軸向應(yīng)力；A為纖維帶截面積；n為第i層纖維帶數(shù)量。

根據(jù)式（1）、式（2），計算出 DN40 長度 2 000 m的柔性復(fù)合油管在不同工作壓力下的載荷，見表2。

表2 DN40長度2000 m的柔性復(fù)合油管在不同工作壓力下載荷

由表2可以看出，柔性復(fù)合油管設(shè)計載荷是在位載荷的1.5倍以上，一般注水管柱安全系數(shù)為1.3，可以滿足注水管柱強度要求。

對設(shè)計出的DN40、PN16柔性復(fù)合油管進行了抗內(nèi)壓、抗拉、抗腐蝕等室內(nèi)評價實驗。

選取1.3 m柔性復(fù)合油管，固定在加壓實驗裝置上進行加壓，當壓力達到24.5 MPa時，停止加壓，保持24 h，觀察壓力下降情況。實驗結(jié)果：壓力為24.0 MPa保持24 h，24 h壓降為2.0 %，達到了標準［5］規(guī)定的1.5倍公稱壓力（16 MPa）、24 h后壓降小于4%要求。

選取1.6 m柔性復(fù)合油管，固定在拉伸實驗裝置上進行拉伸實驗，當拉力達到25 T時管體被拉斷，符合標準［6］規(guī)定的最小拉力不小于24 T的要求。

在模擬注入壓力、溫度條件下，開展柔性復(fù)合油管抗H2S、CO2等腐蝕性物質(zhì)的室內(nèi)實驗，實驗介質(zhì)采用模擬處理后的油田采出水。在壓力9.0 MPa、溫度70 ℃恒定條件下，將其浸泡168 h后稱重，計算出增重率為2.08%，符合標準［7］增重率不大于2.3%要求。

同時，對柔性復(fù)合油管進行了其他性能測試評價，測試結(jié)果顯示：柔性復(fù)合油管密度為1.02 g/cm3、爆破壓力為57 MPa、縱向回縮率為1.2 %、最小彎曲半徑為450 mm，均滿足國家相關(guān)標準，達到了油田注水管柱要求。

2 柔性復(fù)合油管注水管柱

柔性復(fù)合油管應(yīng)用在注水井上的關(guān)鍵問題是必需能夠與現(xiàn)有注水井口、普通鋼質(zhì)油管相連接，形成注水工藝管柱。為了便于相互連接，研制了連接轉(zhuǎn)換接頭，其特點是一端為螺紋式，用于連接普通鋼質(zhì)油管，一端為壓扣式，用于連接柔性復(fù)合油管，并帶有防脫裝置，如圖2所示。結(jié)合現(xiàn)有注水管柱特點，形成了柔性復(fù)合油管注水工藝管柱，管柱組合為：提升短接+連接接頭+柔性復(fù)合油管+連接接頭+加重油管（內(nèi)防腐涂料油管）+斜尖。如圖3所示。

圖2 柔性復(fù)合油管注水工藝管柱連接轉(zhuǎn)換接頭結(jié)構(gòu)

圖3 柔性復(fù)合油管注水工藝管柱

3 現(xiàn)場試驗

2011年11月至2012年1月在長慶隴東油田采出水回注井上試驗4口井，目前4口井正常注水。以2號井為例，該井位于隴東油田采出水腐蝕嚴重區(qū)域，更換柔性復(fù)合注水管前，下入的普通涂料油管的使用壽命為2～3 a，柔性復(fù)合注水管使用壽命為15 a以上。柔性復(fù)合注水管柱組合結(jié)構(gòu)簡單，連接方便，首次下入該工藝管柱僅用4 h，大大提高了作業(yè)效率。

4 結(jié)論

柔性復(fù)合油管用作注水管柱是可行的，在合注井上應(yīng)用前景良好，但由于其抗內(nèi)壓較好，抗外壓能力較弱，不適用于分層注水管柱，下一步需開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增強其抗外壓能力，使其適應(yīng)分層注水管柱。

［1］ 王艷紅，付路長，王旱祥.注水管柱可靠性分析與壽命評估［J］.石油礦場機械，2008，37（6）：75-77.

［2］ 李文印，郝長生，曹興東，等.對注水井油管防腐機理的分析與探討［J］.石油鉆采工藝，1994，16（3）：93-97.

［3］ 孫愛軍，徐英娜，李洪洌，等.注水管柱的受力分析及理論計算［J］.鉆采工藝，2003，26（3）：55-57.

［4］ 于洋洋，張公社，段淵.高壓注水管柱變形及強度校核研究［J］.斷塊油氣田，2007，14（3）：75-76.

［5］ GB/T 6111—2003，流體輸送用熱塑性塑料管材耐內(nèi)壓試驗方法［S］.

［6］ GB/T 8804.3—2003，熱塑性塑料管材拉伸性能測定［S］.

［7］ GB/T 11547—2008，塑料耐液體化學試劑性能的測定［S］.

Designing and experiment of flexible composite water injection string

SHEN Xiaoli1,2, HU Meiyan1,2, YU Jiuzheng1,2, LUO Bilin1,2, BI Fuwei1,2
（1. Oil&Gas Technology Research Institute,Changqing Oil Field Company,Xi’an710018,China;2. National Engineering Laboratory of Tight Oil&Gas Field Exploration and Development,Xi’an710018,China）

there are lots of sulfate reducing bacteria (SRB), saprophytic bacteria and iron bacteria in oil field produced water which is highly corrosive substances. So the corrosion in produced water injection well is severe. Under the conditions of meeting the existing water injection well string working parameters, the anti-corrosion flexible composite injection string was developed by changing the material and structure of water injection well string. The pipe strength check, indoor performance evaluation experimental, injection string combination design and field application study were done to test the flexible composite pipe behavior. The results showed that the flexible composite pipe can be used for more than15 years in existing water injection working conditions, which is more than three times of steel tubing life. Successfully application means a breakthrough and supplies a new method for corrosion resistance of injection well string.

flexible composite pipe; water injection string; corrosion resistance; pipe strength; experiment

申曉莉，胡美艷，于九政，等.柔性復(fù)合油管注水管柱的設(shè)計與試驗 ［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（4）：111-113.

TE934+.1

：B

1000–7393（2013） 04–0111–03

中國石油低碳關(guān)鍵技術(shù)研究“低滲透油氣田節(jié)能節(jié)水關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號：2011E-2402）資助。

申曉莉，1980年生。2004年畢業(yè)于石油大學（華東）石油工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事油田注水和提高采收率技術(shù)研究工作。電話：029-86590771。E-mail：sxli_cq@petrochina.com.cn。

2013-04-08）

〔編輯 景 暖〕